基于紅外探測(cè)原理的多路無(wú)線安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)重大安全場(chǎng)所無(wú)線自動(dòng)報(bào)警和監(jiān)控，根據(jù)熱釋電紅外傳感的基本原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種接收移動(dòng)人體輻射出得紅外線檢測(cè)儀，該檢測(cè)儀以ATmega16單片機(jī)為控制中心，融合了無(wú)線通信技術(shù)和信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等，通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊與控制器通信，控制器通過(guò)RS-485與控制計(jì)算機(jī)連接，整個(gè)系統(tǒng)組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多路無(wú)線聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控。另外該系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了顯示模塊方便數(shù)據(jù)的讀取分析。其設(shè)計(jì)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，成本低，維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：熱釋電紅外探測(cè)；無(wú)線監(jiān)控；聲光報(bào)警；ATmega16

    隨著電子技術(shù)和微機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，給現(xiàn)代家庭防盜、車庫(kù)．辦公室、銀行、博物館等重大安全場(chǎng)所的報(bào)警系統(tǒng)帶來(lái)新的變革，出現(xiàn)了新的面貌。在日常生活中，各種無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)孕育而生，大大節(jié)約了鋪設(shè)專用通信電路的費(fèi)用，便于各種安全場(chǎng)所的規(guī)劃。通過(guò)無(wú)線通信報(bào)警是一種極為方便、有效的手段，相關(guān)運(yùn)用推廣。無(wú)線通信作為通信系統(tǒng)的一部分，由信號(hào)源和收信者、發(fā)送設(shè)備、傳輸介質(zhì)、接收設(shè)備組成。無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備分為信源編碼與信源解碼兩部分。無(wú)線數(shù)字通信設(shè)備的接收設(shè)備進(jìn)行解調(diào)、譯碼、解密等，即完成發(fā)送設(shè)備反變換的功能，其目的就是從帶有干擾的信號(hào)中正確恢復(fù)原始信號(hào)，同時(shí)可以對(duì)多路復(fù)用信號(hào)的解除，實(shí)現(xiàn)正確分路?；跓o(wú)線通信的安防系統(tǒng)采用各項(xiàng)無(wú)線通信技術(shù)，為控制技術(shù)，以及模塊化，結(jié)構(gòu)化、功能化技術(shù)來(lái)構(gòu)造基本的系統(tǒng)功能，是該系統(tǒng)便于維護(hù)和改進(jìn)調(diào)整。紅外探測(cè)傳感器根據(jù)紅外探測(cè)原理可以分為可分為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器兩種。光子探測(cè)器是利用外光電效應(yīng)或內(nèi)光電效應(yīng)制成的輻射探測(cè)器，也稱光電型探測(cè)器。其原理是探測(cè)器中電子吸收光子的能量，使運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電信號(hào)，常用于探測(cè)紅外輻射和可見(jiàn)光。熱釋電紅外探測(cè)器是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦鉛汞陶瓷以及膽酸鋁、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。熱釋電紅外探測(cè)器由傳感探測(cè)元、干涉濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管匹配器3部分組成。傳感器作為安防系統(tǒng)的采集者，采用公共接口作為信號(hào)的輸出接口很好的適用于多種傳感器的信號(hào)輸入。信號(hào)輸出后采用一個(gè)集成開(kāi)關(guān)，當(dāng)信號(hào)達(dá)到預(yù)設(shè)值則打開(kāi)集成開(kāi)關(guān)，使編碼發(fā)射模塊工作，從而對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行編碼調(diào)制發(fā)射。

1 系統(tǒng)原理
    該安防系統(tǒng)裝置是基于熱釋電紅外探測(cè)原理，以無(wú)線收發(fā)傳輸信號(hào)的聲光報(bào)警設(shè)備，其包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編碼、無(wú)線收發(fā)、單片機(jī)控制、信號(hào)檢測(cè)等部分，由ATmega16控制器和熱釋電紅外傳感器、編碼芯片PT2262、解碼芯片PT2272、液晶顯示器12864等組成。本系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容是通過(guò)熱釋電紅外傳感器探測(cè)報(bào)警信號(hào)，有信號(hào)則啟動(dòng)無(wú)線發(fā)射模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼后傳給ATmega16單片機(jī)，通過(guò)無(wú)線接收模塊接收信號(hào)后，將接收到的編碼數(shù)據(jù)輸入到解碼器上，然后編碼器輸出端驅(qū)動(dòng)AVR單片機(jī)產(chǎn)生外部中斷，ATmega16單片機(jī)將解碼器輸出的數(shù)據(jù)采集到單片機(jī)內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警以及判斷報(bào)警號(hào)，把這些數(shù)據(jù)顯示在LCD上并傳至控制中心計(jì)算機(jī)。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件電路包括無(wú)線發(fā)射系統(tǒng)、無(wú)線接收系統(tǒng)、電源電路，其中無(wú)線接收系統(tǒng)以ATmega16單片機(jī)為控制中心，其外圍器件主要由無(wú)線接收模塊、接收解碼、聲光報(bào)警電路、顯示模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2．1 無(wú)線發(fā)射電路
    該安防系統(tǒng)通過(guò)熱釋電紅外傳感器原理采集報(bào)警信號(hào)進(jìn)行編碼無(wú)線發(fā)送。傳感器采集的信號(hào)相對(duì)微弱需要進(jìn)行處理，處理電路選擇集成熱釋電紅外處理芯片BISS0001，它具有較高的處理傳感信號(hào)性能，是由運(yùn)放器，電壓比較器、狀態(tài)控制器、延時(shí)時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器構(gòu)成的數(shù)／模專用集成電路。它具有可重復(fù)觸發(fā)工作方式和不可重復(fù)觸發(fā)工作方式兩種工作方式。編碼芯片采用臺(tái)灣普成公司生產(chǎn)PT22 62，它發(fā)出的編碼信號(hào)有數(shù)據(jù)碼、地址碼、同步碼組成一個(gè)完整字碼，具有功耗低、價(jià)位低、通用性好等特點(diǎn)。熱釋電紅外傳感器采集的信號(hào)通過(guò)BISS0001和耦合電容二級(jí)放大，熱釋電紅外傳感器采集電路如圖2所示。

    經(jīng)過(guò)BISS0001處理后輸出的信號(hào)經(jīng)兩個(gè)三極管接通負(fù)載，所圖3所示，其中R8-R11均為1 KΩ的上拉電阻，R4、Q1、Q2組成電子式開(kāi)關(guān)調(diào)制電路，R7、C18、Q4、L1和聲表諧振器Y1組成315 MHz的功率振蕩級(jí)，當(dāng)OUT為高定平時(shí)，Q1導(dǎo)通，接通編碼器將數(shù)據(jù)碼以及相應(yīng)的地址碼和同步碼發(fā)射出去。

2．2 無(wú)線接收電路
    該系統(tǒng)無(wú)線接收芯片選用超再生SH9902，解碼芯片用的是PT2272，它接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過(guò)兩次核對(duì)比較后，VT引腳輸出高電平，經(jīng)過(guò)施密特反相器之后轉(zhuǎn)換成低電平，觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳輸出接收到的數(shù)據(jù)，PT2272的地址與編碼器PT2 262的地址必須相同。無(wú)線接收電路原理圖如圖4所示。

2．3 LCD顯示電路
    本系統(tǒng)選用LCD顯示器12864，它使用ST7920控制器，5 V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，內(nèi)置8192個(gè)16×16點(diǎn)陣、128個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)及64x256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)。與外部CPU接口采用并行或串行兩種控制方式。LCD與MCU的通信接口設(shè)計(jì)可以使用直接或間接的訪問(wèn)方式。系統(tǒng)直接通過(guò)I／O口與ATmega16進(jìn)行并行連接，12864的8位數(shù)據(jù)線直接與ATmega16的8位I／O口連接。報(bào)警信號(hào)在2個(gè)以上(包括2個(gè))時(shí)，液晶顯示器會(huì)輪流顯示各個(gè)報(bào)警點(diǎn)的“報(bào)警序號(hào)”。12864液晶顯示器與ATmega16并行接口框圖如圖5所示。

2．4 聲光報(bào)警電路
    當(dāng)接收到系統(tǒng)檢測(cè)到有報(bào)警信號(hào)時(shí)，定時(shí)器啟動(dòng)，產(chǎn)生周期性中斷，控制ATmega16單片機(jī)的P4和P5口發(fā)出周期是1 s的脈沖信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴，發(fā)光二極管閃爍。實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，當(dāng)按下復(fù)位鍵之后，系統(tǒng)復(fù)位，報(bào)警解除。聲光報(bào)警電路如圖6所示。

2．5 電源電路
    電源電路由變壓器、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路組成。變壓器用于將220 V的交流電壓轉(zhuǎn)換成7．5 V和9 V低壓交流電壓；整流濾波電路用于將交流電整流濾波成較平滑的直流電壓；然后通過(guò)穩(wěn)壓電路輸出+5 V(Vcc)和+9 V的直流電，供系統(tǒng)的接收系統(tǒng)和發(fā)射系統(tǒng)使用。電源電路如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是AVR單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，由主程序和各種功能塊子程序組成，包括LCD顯示程序、外部中斷服務(wù)程序、定時(shí)器中斷程序等，具有結(jié)構(gòu)清晰，調(diào)整改進(jìn)容易的特點(diǎn)。該系統(tǒng)主要由C程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)控制功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、控制功能設(shè)置和報(bào)警模式設(shè)置等，完成自動(dòng)檢測(cè)控制和報(bào)警任務(wù)。當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到報(bào)警信號(hào)，無(wú)線編碼發(fā)射系統(tǒng)開(kāi)始工作，對(duì)地址信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行編碼發(fā)射。無(wú)線接收系統(tǒng)接收到信號(hào)時(shí)，就對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將解調(diào)的信號(hào)輸入到解碼集成電路，若地址信號(hào)完全相符，則單片機(jī)外部中斷被觸發(fā)，在中斷服務(wù)程序中讀取報(bào)警信號(hào)并設(shè)置中斷標(biāo)志位，同時(shí)在12864上顯示，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，發(fā)光管閃爍，單片機(jī)把接收的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485傳輸給中心控制計(jì)算機(jī)。接收系統(tǒng)的主程序流程圖如圖8所示。

3．1 LCD顯示程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電后，首先需要對(duì)液晶初始化，12864顯示器分兩行，初始化時(shí)，第一行顯示“采集數(shù)據(jù)：?jiǎn)未?rdquo;，第二行顯示“控制命令：等待”。當(dāng)下位機(jī)單次數(shù)據(jù)采集時(shí)，第一行顯示單次采集的數(shù)據(jù)；當(dāng)下位機(jī)連續(xù)采集數(shù)據(jù)時(shí)，12864顯示的采集的數(shù)據(jù)；第二行顯示PC機(jī)發(fā)出的命令，當(dāng)PC機(jī)沒(méi)有發(fā)送命令時(shí)，顯示“等待”；當(dāng)PC機(jī)發(fā)送命令后，顯示“命令”?？梢灾苯邮褂肕CU的總線方式讀寫(xiě)液晶或者間接使用I／O軟件模擬LCD時(shí)序?qū)σ壕нM(jìn)行讀寫(xiě)，本設(shè)計(jì)采用間接的方式，首先ATmega16對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，設(shè)置I／O的狀態(tài)，再初始化液晶，對(duì)液晶的顯示功能設(shè)置，通過(guò)寫(xiě)命令控制寫(xiě)入數(shù)據(jù)地址。其流程圖如圖9所示。
    無(wú)線接收系統(tǒng)通過(guò)接收到的報(bào)警信號(hào)，將報(bào)警序號(hào)實(shí)時(shí)顯示在12864上，如果有多個(gè)報(bào)警數(shù)據(jù)，則需要循環(huán)顯示報(bào)警點(diǎn)序號(hào)，因此需要?jiǎng)討B(tài)更新12864上顯示的數(shù)據(jù)。其流程圖如圖10所示。

3．2 外部中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)外部中斷觸發(fā)方式選用邊沿觸發(fā)方式檢測(cè)無(wú)線接收系統(tǒng)是否接收到報(bào)警信號(hào)，這種觸發(fā)方式如果相繼兩次采樣，一個(gè)周期采樣為高，下個(gè)周期采用為低，則置“1”中斷申請(qǐng)觸發(fā)器，直到CPU響應(yīng)此中斷才清零。這樣不會(huì)丟失中斷，但輸入的負(fù)脈沖寬度至少需要保持12個(gè)時(shí)鐘周期，才能被CPU采樣到。當(dāng)無(wú)線接收系統(tǒng)接收到報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)的外部中斷0產(chǎn)生外部中斷，接收?qǐng)?bào)警數(shù)據(jù)，并關(guān)閉外部中斷0同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器1開(kāi)始計(jì)數(shù)，2 s后重新開(kāi)外部中斷0，以接收下次的報(bào)警數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)子程序流程圖如圖11所示。

3．3 定時(shí)中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用8 MHz的時(shí)鐘晶振，定時(shí)器1作為外部中斷響應(yīng)報(bào)警數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器，避免一次報(bào)警信號(hào)使單片機(jī)產(chǎn)生多次中斷。定時(shí)器1是16為計(jì)數(shù)器初值為3CAFH，中斷5次后，開(kāi)外部中斷。
    定時(shí)器0作為聲光報(bào)警電路的脈沖發(fā)生控制器，設(shè)置初值為06H，每中斷500次，控制單片機(jī)的P4和P5口改變輸出電平狀態(tài)，即聲光報(bào)警電路發(fā)出周期為1 s的聲光報(bào)警信號(hào)。定時(shí)器0和定時(shí)器1的中斷子程序如圖12所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本系統(tǒng)根據(jù)紅外熱釋電傳感器原理，完成了多路無(wú)線安防系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)能夠完成15路報(bào)警點(diǎn)的報(bào)警信息，并且使用液晶顯示器循環(huán)顯示報(bào)警序號(hào)，通過(guò)發(fā)光二級(jí)管和蜂鳴器進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)把得到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。系統(tǒng)具有易于操作維護(hù)、很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)還可以對(duì)電磁干擾方面進(jìn)行改進(jìn)，使用單片機(jī)內(nèi)部晶振可以減小系統(tǒng)本身的電磁干擾。